【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光纤传感，具体地，涉及大量程准分布式光纤传感方法与系统，更为具体地，涉及一种能够精确测量弱反射点之间的光程，实现对温度、应变等物理量的大量程准分布式光纤传感器方法及系统。
技术介绍
1、光反射仪技术基于光纤中的光散射和光反射现象，能够测量光纤链路上的后向散射和反射等信息，进而得到环境的温度、应变等物理量。通过在光纤上制作具有一定反射率的弱反射点阵列，可以获得比后向散射光更强的反射光信号，提高传感器检测的信噪比与灵敏度，实现高信噪比的准分布式光纤传感系统。大多数的准分布式光纤传感系统是检测相邻弱两个反射点光信号发生干涉时拍频信号的相位，由于相位变化的周期性，这种方案的动态范围很小，主要用于动态信号的检测。在用低反射率光纤光栅制成弱反射点的情况下，可以采用大范围可调谐的窄线宽激光器作为光源，获取每个光栅的光谱，根据光谱中心波长的变化实现对动态或静态物理量的检测，但这种方式的测量范围受限于激光器的扫频范围，此外扫频非线性引入的相位噪声将会严重影响系统测量精度。
2、专利文献cn207036249u(申请号：201621320115.x)公开了一种高灵敏度的分布式光纤振动传感系统。本技术得到系统采用高相干窄线宽激光器作为光源，经耦合器分光为两路，其中一路经脉冲调制器调制为光脉冲序列，使用光放大器放大后经环形器注入到振动传感光纤中，传感光纤中的后向瑞利散射光经过环形器传输回来，与另一路经移频器移频δf的本振光进行外差拍频，拍频光信号经过探测器转换为电信号，随后进行数据的采集和处理。
技
1、针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种大量程准分布式光纤传感方法与系统。
2、根据本专利技术提供的一种大量程准分布式光纤传感系统，包括：线性扫频光源模块、弱反射点传感阵列模块、相干检测模块以及信号处理模块；
3、线性扫频光经过线性扫频光源模块输出本地光与信号光；信号光进入弱反射点阵列传感模块经过反射点反射后产生反射光；反射光与本地光一起进入相干检测模块发生干涉得到干涉光，相干检测模块将干涉光信号转换为电信号；电信号进入信号处理模块进行傅里叶变换得到相应的频谱信号；频谱信号利用带通滤波器选择出包含目标光纤两端的弱反射点a和b对应的拍频信号，基于拍频信号得到电流时域信号，从而得到差频项的频率值；根据差频项的频率值计算a、b两点之间的光程；通过检测光程变化量得到光纤的温度变化量以及应变。
4、优选地，所述电信号采用：
5、
6、其中，e0表示电场振幅；m表示反射点总个数；rm表示反射点的反射率；k表示激光器扫频速率；τm表示扫频光从传输到经光纤上第m个反射点反射回到接收端的传输时间；f0表示激光器初始频率；θ(t)表示激光器相位噪声；i(t)表示接收到的电信号。
7、优选地，频谱信号利用带通滤波器选择出包含目标光纤两端的弱反射点a和b对应的拍频信号，基于拍频信号得到电流时域信号采用：频谱信号利用带通滤波器滤出包含两个反射点对应的频谱后进行傅里叶逆变换得到电流时域信号iab(t)；或者，频谱信号利用带通滤波器分别滤出两个反射点a和b对应的频谱后分别进行傅里叶逆变换得到电流时域信号ia(t)和ib(t)。
8、优选地，当利用带通滤波器滤出包含两个反射点对应的频谱后进行傅里叶逆变换得到电流时域信号iab(t)后，将当前电流时域信号进行平方操作后得到通过chirp-z变换计算出中差频项的频率值fab；所述中差频项为：
9、
10、fab＝κ(τb-τa)(3)
11、其中，rd表示光电平衡探测器的响应系数，ra与rb分别为反射点a与反射点b的反射率；e0表示电场振幅；k表示激光器扫频速率；τb表示扫频光从传输到经光纤上第b个反射点反射回到接收端的传输时间；τa表示扫频光从传输到经光纤上第a个反射点反射回到接收端的传输时间；f0为激光器初始频率；表示在时间(τb-τa)内激光器的相位噪声，的方差为2πδf(τb-τa)，其中δf为激光器的线宽。
12、优选地，当利用带通滤波器分别滤出两个反射点a和b对应的频谱后分别进行傅里叶逆变换得到电流时域信号ia(t)和ib(t)后，将时域信号ia(t)和ib(t)相乘得通过chirp-z变换计算出中差频项的频率值fab；所述中差频项为：
13、
14、fab＝κ(τb-τa)(5)；
15、其中，rd表示光电平衡探测器的响应系数，ra与rb分别为反射点a与反射点b的反射率；e0表示电场振幅；k表示激光器扫频速率；τb表示扫频光从传输到经光纤上第b个反射点反射回到接收端的传输时间；τa表示扫频光从传输到经光纤上第a个反射点反射回到接收端的传输时间；f0为激光器初始频率；表示在时间(τb-τa)内激光器的相位噪声，的方差为2πδf(τb-τa)，其中δf为激光器的线宽。
16、优选地，所述根据差频项的频率值计算a、b两点之间的光程采用：
17、
18、其中，lab表示光程；fab表示差频项的频率值；κ为光源的扫频速率，c为真空中的光速。
19、优选地，所述通过检测光程变化量得到光纤的温度变化量以及应变采用：多次测量得到lab并且以第一组作为参考值，与后续组进行差分运算，通过光程变化解调出外界温度、应力在当前过程中的变化；依次计算其余反射点间的频率变化量，测出对应温度变化与应变大小；
20、δlab/lab＝(α+ξ)δt+(1-pe)ε (7)
21、其中，δlab表示光程变化量；α表示光纤的热膨胀系数；ξ表示热光系数；pe表示光弹系数；ε表示应力；δt表示光纤的温度变化量。
22、优选地，所述线性扫频光源模块包括线性扫频光源和第一光纤耦合器；
23、所述弱反射点传感阵列模块包括弱反射点阵列和第三光纤环形器；
24、所述相干检测模块包括第二光纤耦合器和光电探测器。
25、根据本专利技术提供的一种大量程准分布式光纤传感方法，包括：
26、步骤s1：线性扫频光经过线性扫频光源模块输出本地光与信号光；
27、步骤s2：信号光进入弱反射点阵列传感模块经过反射点反射后产生反射光；
28、步骤s3：反射光与本地光一起进入相干检测模块发生干涉得到干涉光，相干检测模块将干涉光信号转换为电信号；
29、步骤s4：电信号进入信号处理模块进行傅里叶变换得到相应的频谱信号；
30、步骤s5：频谱信号利用带通滤波器选择出包含目标光纤两端的弱反射点a和b对应的拍频信号，基于拍频信号得到电流时域信号，从而得到差频项的频率值；
31、步骤s6：根据差频项的频率值计算a、b两点之间的光程；
32、步骤s7：通过检测光程变化量得到光纤的温度变化量以及应变。
33、优选地，所述步骤s3中电信号采用：
34、
35、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大量程准分布式光纤传感系统，其特征在于，包括：线性扫频光源模块、弱反射点传感阵列模块、相干检测模块以及信号处理模块；
2.根据权利要求1所述的大量程准分布式光纤传感系统，其特征在于，所述电信号采用：
3.根据权利要求1所述的大量程准分布式光纤传感系统，其特征在于，所述频谱信号利用带通滤波器选择出包含目标光纤两端的弱反射点A和B对应的拍频信号，基于拍频信号得到电流时域信号采用：频谱信号利用带通滤波器滤出包含两个反射点对应的频谱后进行傅里叶逆变换得到电流时域信号IAB(t)；或者，频谱信号利用带通滤波器分别滤出两个反射点A和B对应的频谱后分别进行傅里叶逆变换得到电流时域信号IA(t)和IB(t)。
4.根据权利要求3所述的大量程准分布式光纤传感系统，其特征在于，当利用带通滤波器滤出包含两个反射点对应的频谱后进行傅里叶逆变换得到电流时域信号IAB(t)后，将当前电流时域信号进行平方操作后得到通过chirp-z变换计算出中差频项的频率值fAB；所述中差频项为：
5.根据权利要求3所述的大量程准分布式光纤传感系统，其特征在于，当利用带
6.根据权利要求1所述的大量程准分布式光纤传感系统，其特征在于，所述根据差频项的频率值计算A、B两点之间的光程采用：
7.根据权利要求1所述的大量程准分布式光纤传感系统，其特征在于，所述通过检测光程变化量得到光纤的温度变化量以及应变采用：多次测量得到LAB并且以第一组作为参考值，与后续组进行差分运算，通过光程变化解调出外界温度、应力在当前过程中的变化；依次计算其余反射点间的频率变化量，测出对应温度变化与应变大小；
8.根据权利要求1所述的大量程准分布式光纤传感系统，其特征在于，所述线性扫频光源模块包括线性扫频光源和第一光纤耦合器；
9.一种大量程准分布式光纤传感方法，其特征在于，包括：
10.根据权利要求9所述的大量程准分布式光纤传感方法，其特征在于，所述步骤S3中电信号采用：
...【技术特征摘要】
1.一种大量程准分布式光纤传感系统，其特征在于，包括：线性扫频光源模块、弱反射点传感阵列模块、相干检测模块以及信号处理模块；
2.根据权利要求1所述的大量程准分布式光纤传感系统，其特征在于，所述电信号采用：
3.根据权利要求1所述的大量程准分布式光纤传感系统，其特征在于，所述频谱信号利用带通滤波器选择出包含目标光纤两端的弱反射点a和b对应的拍频信号，基于拍频信号得到电流时域信号采用：频谱信号利用带通滤波器滤出包含两个反射点对应的频谱后进行傅里叶逆变换得到电流时域信号iab(t)；或者，频谱信号利用带通滤波器分别滤出两个反射点a和b对应的频谱后分别进行傅里叶逆变换得到电流时域信号ia(t)和ib(t)。
4.根据权利要求3所述的大量程准分布式光纤传感系统，其特征在于，当利用带通滤波器滤出包含两个反射点对应的频谱后进行傅里叶逆变换得到电流时域信号iab(t)后，将当前电流时域信号进行平方操作后得到通过chirp-z变换计算出中差频项的频率值fab；所述中差频项为：
5.根据权利要求3所述的大量程准分布式光纤传感系统，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘庆文，何祖源，邓原芃，罗一民，邱锦波，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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